基于SOGI-FLL算法的油田電網動態(tài)無功補償對策研究

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(1.勝利油田技術檢測中心，山東 東營 257061; 2.中國石油大學 勝利學院，山東 東營 257061)

基于SOGI-FLL算法的油田電網動態(tài)無功補償對策研究

李煒1,楊揚2

(1.勝利油田技術檢測中心，山東東營257061; 2.中國石油大學勝利學院，山東東營257061)

為了解決油田無功補償裝置爆電容現象，本課題在現有無功補償裝置存在問題的基礎上，提出了采用晶閘管投切電容器與靜止無功發(fā)生器相結合的補償方案；將SOGI-FLL算法應用于電壓精準鎖相和無功功率的準確計算中，其結果分別用于確定Matlab仿真模型中晶閘管投切電容器的投入時刻和提供靜止無功發(fā)生器的控制參考信號，從而實現諧波和無功電流的有效控制；仿真結果表明，該方案不僅實現了無功功率的有效補償，而且進一步降低了油田配電網無功損耗，提高了功率因數。

SOGI-FLL;無功補償;晶閘管投切電容器;靜止無功發(fā)生器

0 引言

目前油田無功補償裝置一般采用手動投切電容器，只有少數采油廠采用接觸器或晶閘管投切開關，在抽油機的電控箱并接低壓電容器，抽油機無功補償最常見的補償方式仍是以無功平均值對其補償[1]。使用該方法補償后的功率因數雖然有所提升，但是存在能耗低、無功損耗明顯等缺點。文獻[2]利用大容量靜態(tài)調節(jié)設備對風電場無功電壓大幅調節(jié)，動態(tài)調節(jié)設備進行補償小幅波動，實現各類無功補償之間協調控制。文獻[3]設計一套動態(tài)無功補償裝置的二級電壓控制體系，有效進行暫態(tài)電壓穩(wěn)定的預防控制。

本項目首先采集油田抽油機現場數據，分析油田現有無功補償裝置故障原因，建立晶閘管投切電容器MATLAB仿真模型。將SOGI-FLL(second order generalized integrator-FLL)算法用于電壓的精準鎖相中，利用其濾波特性得到電源電壓與電容器端電壓之差的準確過零點，在此處進行電容器的投切，從而實現電容器投入時刻的精確控制。同時將SOGI-FLL用于無功功率的準確計算，以得到準確基波無功功率值，從而選擇合適的投切電容器組。研究靜止無功發(fā)生器的電路結構及算法，并搭建靜止無功發(fā)生器仿真模型，并將SOGI-FLL算法用于基波和諧波電流信號提取，為靜止無功發(fā)生器提供參考信號，從而實現諧波和無功電流的有效控制，以補償晶閘管投切電容器未能補償的剩余無功功率，實現晶閘管投切電容器與靜止無功發(fā)生器相結合的無功補償方案。

1 油田無功補償裝置故障機理分析

雖然油田中抽油機無功功率具有較大的波動，但是考慮到投入成本和運行可靠性等因素，投切電容器仍作為油田配電網主要無功功率補償裝置。目前，雖然油田配電網由于電容器大量投入運行，功率因數一定程度得到提升，但是現場中電容器損壞現象頻繁，抽油機運行維護困難，造成了爆電容故障，帶來了一定的經濟損失。分析其主要原因有兩點，一個是過電壓,另一個是諧波過電流。為此深入研究爆電容現象的原因，通過理論分析得出合理應對策略，目前油田無功補償裝置故障原因主要有：

1)異步電動機和井口變壓器作為油田生產主要動力，兩者位置較近，變壓器輸出電壓高于抽油機額定電壓，這導致異步電動機長時間工作電壓超過額定電壓，過高端電壓導致勵磁電流急劇升高，增加了系統無功補償容量。

圖2 SOGI-FLL仿真模型

2)現有油田無功功率由于抽油機負載而存在較大波動，采用3390功率分析儀采集的抽油機工作時的電壓、電流、有功功率、無功功率和各次諧波含有率等參數。根據實測無功功率的平均值選擇補償電容器，大部分時間無功功率是低于平均功率的，導致過補償。而由于固定電容器在發(fā)生過補償時無法調整補償容量，當負載為容性負載時，進一步加劇過補償，使電壓進一步升高，出現過電壓損壞。

3)并聯電容器對系統諧波電流具有放大作用，進而對電網其他設備產生不利影響，對電網安全造成威脅[4]。目前油田無功補償裝置可靠性差，需對目前油田無功補償裝置進行合理故障分析，提出預防策略。在考慮抽油機特殊負載前提下，提出一種基于SOGI-FLL鎖相環(huán)原理，準確計算系統實時無功功率，計算出系統過補償水平，為油田無功補償裝置正常運行提供保障；該算法還用于系統負載電流主要諧波的提取，為靜止無功發(fā)生器的控制信號，動態(tài)補償抽油機無功功率。

2 SOGI-FLL鎖相環(huán)算法理論研究

實時相位信息在許多靜止無功補償裝置、可控交直流變換器、有源濾波器、不間斷電源等系統中，是實現有功功率和無功功率的計算及各自參考坐標變換的主要標準[5]。而電力系統中諧波的存在、電容器瞬時投切的擾動、電網換相造成整流器陷波、電網電壓驟降引起的相位跳變及頻率波動和電網的三相電壓不平衡等因素會影響基波信號頻率和相位測量的精度[6]。因此，找到一種在各種擾動下實現實時相位同步的方法具有重要的實際意義。

鎖相環(huán)(PLL)是獲得準確的實時相位信息的最普遍的相位同步方法。最典型的鎖相環(huán)由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)三部分組成[7]，其結構框如圖1所示。

圖1 鎖相環(huán)框圖

鑒相器獲得輸入電壓ui與輸出電壓uo的相位差，經過環(huán)路濾波器得到壓控振蕩器的控制電壓uc，壓控振蕩器的振蕩頻率由其控制電壓uc決定，當uc=0時，對應的振蕩頻率稱為VCO的固有頻率，鑒相器的輸出信號與減小VCO振蕩頻率與輸入信號之差的方向變化同步，從而實現振蕩器頻率鎖定輸入信號頻率，此過程即為鎖相環(huán)鎖相位的過程[8]。目前較成熟的鎖相技術有：基于功率的單相數字鎖相環(huán)pPLL；增強型單項數字鎖相環(huán)EPLL；反派克變換單相數字鎖相環(huán)；二階廣義積分器鎖頻環(huán)(SOGI-FLL)等[9]。本文選用SOGI算法與SRF算法相結合后SOGI-PLL算法，該方法相比其他幾種方法，響應速度快、參數設置簡單、抗干擾性能力強等特點。選用該方法實現電網電壓準確鎖相。其中SOGI算法為正交分量的產生結構，PLL環(huán)節(jié)為SOGI提供輸入信號角頻率，實現整體結構的頻率自適應，得到輸入信號的準確幅值信息。

使用Matlab中的simulink功能搭建SOGI-QSG算法與旋轉坐標系鎖相環(huán)SRF-FLL相結合的SOGI-FLL模型，對其鎖相性能及相位提取新能進行仿真驗證。整體仿真結構如圖2所示。

從圖2中可以看出，在兩個周波的時間，輸入信號和輸出信號完全重合，經過模型處理后，系統諧波被抑制，基波信號被提取。

旋轉坐標系中相位信息提取原理是利用SOGI-QSG產生的正交信號作為旋轉坐標系變換中所需α與β分量，然后對變換后的dq軸分量進行d軸定向，即q軸分量通過反饋閉環(huán)控制其為零，而在此過程中便可實現輸出相位與輸入信號的相位相同，因為僅在兩者相等的情況下，q軸分量才可為零。其大致流程如下，圖3為SRF鎖相環(huán)框圖。

圖3 SRF鎖相環(huán)框圖

旋轉坐標系變換矩陣形式如下:

(1)

則q軸分量為:

uq=-Umcosθsinφ+Umsinθcosφ

(2)

經整理可得:

uq=Umsin(θ-φ)

(3)

在輸出信號逼近輸入信號的過程中，當相位差較小時，上式可通過泰勒級數展開進行線性化，正弦信號的泰勒級數展開式如公式(4)、(5)：

(4)

(5)

因此可得線性化后的q軸分量，如公式(6):

uq=Um(θ-φ)

(6)

該環(huán)節(jié)對應著鎖相環(huán)結構中的鑒相器，得到該誤差信號后，利用PI調節(jié)器作為環(huán)路濾波器以得到角頻率，因為第三個環(huán)節(jié)為壓控震蕩環(huán)節(jié)，故而需要一個穩(wěn)定的控制電壓，當鑒相器輸出誤差信號為零時，PI調節(jié)器可得到一個穩(wěn)定的輸出作為壓控振蕩器的控制電壓。

(7)

該式即為PI調節(jié)器的傳遞函數，其比例環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)增益可由鎖相環(huán)的整體傳遞函數得出，因此需要由此寫出SRF-FLL的整體傳遞函數，如公式(8):

(8)

因為系統最終輸出的是輸入信號的相位信息(單位為弧度)，故而需要知道當前輸入信號的頻率，而對頻率的積分即為相位，即下式所示，因此該鎖相環(huán)中壓控振蕩環(huán)節(jié)采用一個積分器實現。

(9)

鎖相環(huán)整體傳遞函數已知，由于其是二階系統，根據自動控制原理，對其參數進行設計，通過學習自動控制原理可知，二階系統的傳遞函數標準型如公式(10):

(10)

由此可得系統的阻尼比和自然震蕩角頻率如公式(11):

(11)

在本項目中系統輸入信號電壓幅值為311 V，系統電壓頻率為50 Hz，設計本鎖相環(huán)結構阻尼比為1，則可得PI調節(jié)器參數如公式(12)、(13):

(12)

(13)

通過仿真可得鎖相環(huán)結構的頻率估計如圖4所示。

圖4 頻率估計示意圖

可見在近兩個周波后頻率穩(wěn)定在50 Hz，相位按照0～2 π周期循環(huán)。頻率信號中，剛開始階段的波動是由于SOGI-QSG算法同樣需要僅一個周波的時間對輸入信號進行鎖相所導致，同時其所需的輸入信號角頻率是由PLL環(huán)節(jié)提供，而PLL環(huán)節(jié)則需要前者提供正交信號，兩者相互依賴，因此在鎖相的開始階段存在一定的波動。但從整體而言，該算法具有計算穩(wěn)定速度快、計算值精確和結構參數設計簡單等優(yōu)點。

3 基于SOGI-FLL鎖相算法的無功補償策略

3.1 晶閘管投切電容器無功補償策略

晶閘管投切電容器，可以根據系統所需無功功率的大小，選擇合適的電容器組投入到系統中，實現無功功率的動態(tài)調節(jié)。但是抽油機負荷波動劇烈，若根據其平均值進行固定電容無功補償，容易出現過補償的情況，因此提出采用晶閘管投切電容器補償系統最小值方案。本文應用SOGI-FLL鎖相算法實現系統無功功率準確計算，記錄大于抽油機一個完整沖程各時刻所需無功容量，計算出無功最小值，準確控制電容器的投切時刻。根據無功功率的不同，投入不同容量的電容器組，考慮本項目實際補償對象的特殊性，在最小無功的基礎上，增設多個小電容備用，實現無功功率最小補償的調整。

使用Matlab中的Simulink搭建晶閘管投切電容器仿真模型，圖5為TSC整體仿真模型圖，圖6為功率計算部分仿真模型。

圖5 TSC整體仿真模型圖

圖6 功率計算部分仿真模型

3.1.1 系統整體設計

設置當前模型無功功率為14 900 var，有功功率為5 220 W。設計電容器組分別為10 000 var和3個2 500 var。采用SOGI-FLL算法對電網電壓進行鎖相無功功率計算和simulink自帶無功功率計算兩種方法，進行結果對比。三相電壓幅值按照實際系統設計為V，三相電壓電流采集模塊設置為相電壓，因為系統自帶的功率計算模塊輸入信號為相電壓，功率計算仿真模型如圖7所示。

圖7 功率計算結果對比

圖6中power模塊為系統自帶功率測量模塊，與SOGI—FLL無功功率計算方法對比，SOGI-FLL算法對電網功率波動響應較為迅速，并沒有出現大范圍功率波動，系統穩(wěn)定后兩者無功功率計算值為2 462.59和2 462.64幾乎相等。并且諧波情況下，系統自帶功率模塊不具備濾波能力，所以SOGI-FLL算法具有明顯優(yōu)勢。

3.1.2 控制電路設計

確定所需無功功率數值，采用SOGI-FLL算法對晶閘管端電壓進行鎖相濾波，以準確控制電容器投切時刻。采用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器模擬DSP寄存器功能在得到要投切電容器的信號后，需要產生觸發(fā)脈沖令相應的晶閘管在其端電壓為零時導通。同時在上一組電容器投切后，需要給與一定的延時再投入該組電容器，以防止無功功率的劇烈波動引起系統振蕩。圖8為觸發(fā)脈沖產生模型，圖9為電容器組投切判斷。

圖8 觸發(fā)脈沖產生模型

圖9 電容器組投切判斷

整個TSC仿真模型搭建完成，仿真結果如表1所示。

表1 無功功率測量值

圖10 系統電壓電流圖

圖10上圖為系統電壓波形，下圖為系統電流波形，電容器組在0.06和0.08秒分別投入，由圖中可知，在兩個投入時刻系統電流為發(fā)生任何沖擊，同時，系統電流在第一組電容器組投入后，由原來的34 A變?yōu)榱?5.5 A，在第二組電容器組投入后，系統電流由15.5 A變?yōu)?2.4 A，系統電流的明顯減小意味著系統在線路上的損耗降低，其與系統電壓之間的相位差也在電容器的投入后不斷減小，因此系統功率因數得以提高。

3.2 靜止無功補償發(fā)生器無功補償策略

本文為改善油田配電網電能質量，實現晶閘管投切電容器與靜止無功發(fā)生器相配合。在晶閘管投切電容器補償最小無功的基礎上，動態(tài)無功功率將有精致無功發(fā)生器補償。本項目采用指甲電流控制方式對電流瞬時值進行跟蹤控制，采用SOGI-FLL算法提取基波和各次諧波分量。使用MATLAB中的Simulink搭建了靜止無功發(fā)生器的仿真模型如圖11所示。

圖11 SVG整體仿真模型

該模型采用simulink自帶的IGBT全橋電路，交流測經過3個電感接入電網，采集直流母線電容電壓，電流模塊采集負載電流，通過SOGI-FLL算法計算基波和各次諧波分量，得出補償電流指令信號。

圖12中首先對電網電壓進行了32變換，并利用SOGI-FLL算法得到其相位信息，之后利用該相位信息對電網電流信號進行旋轉坐標系變換，橙色模塊輸出即為補償電流信號。通過電壓電流雙閉環(huán)對直流母線電壓及輸出電流進行控制，最后再將其轉換為α-β坐標系，用于產生相應的SVPWM驅動信號。

圖12 控制部分仿真模型

直流母線電壓主要是由有功功率支撐，因此需要控制變換器從電網中吸取一部分的有功電流。因此由圖13可知，上半部分為直流母線電壓反饋，電壓外環(huán)將直流母線電壓經過PI調節(jié)器調節(jié)得到電流給定信號，以穩(wěn)定直流母線電壓，電流內環(huán)用于控制有功電流的大小，將有功電流反饋與電壓外環(huán)得到的電流給定信號作差，經PI調節(jié)器得到最終的SVPWM給定信號。下半部分為無功電流的控制環(huán)，無功電流給定為SOGI-FLL提取出來的負載電流基波無功信號，通過與實時的SVG輸出電流無功電流信號進行作差經PI調節(jié)器調節(jié)，使SVG最終的輸出電流與負載的基波無功電流分量相等，當負載無功功率發(fā)生波動時，SVG將控制其輸出的無功電流與之相等，從而完成了無功功率的動態(tài)補償。

圖13 電壓電流雙閉環(huán)仿真模型

4 硬件平臺制作與現場測試結果

硬件實驗平臺連接如圖14所示，采用TMS320F28335作為核心處理器，對采集的電壓、電流信號進行數字化處理，為控制系統提供控制信號。系統需要一個3 V的電壓基準對采樣信號進行調理和電壓、電流采樣調理電路，電流采樣電路是系統實時采集抽油機輸入信號經過一級差分放大電路，再經過一級由電阻分壓形式的3 V抬升電路、濾波器，以消除系統中高頻干擾。電壓采樣電路采用TV19G電流型互感器，IGBT主電路分別采用單個IGBT搭建三相橋式電路和3個雙向晶閘管。系統軟件采用德州儀器公司的CCS V6進行程序編寫，大致工作流程如下：控制電接通后，軟起繼電器閉合，裝置直流母線開始升壓，在電壓上升到不控整流的最大值后，軟起電路切除，此時系統處于等待開機狀態(tài)，按開機鍵后，系統電壓環(huán)首先工作，直流母線電壓在電壓外環(huán)的控制下進一步升高，再次按開機鍵后，系統開始工作，電流內環(huán)根據電壓環(huán)輸出及SOGI-FLL所得系統負載電流的電流指令得到電壓指令，電壓指令給到SVPWM調制程序后可得到六路的IGBT驅動信號。

圖14 硬件連接示意圖

油田某抽油機未接入任何裝置時，系統無功功率波形如圖15所示，由圖15可知此時系統無功功率在10.5～12 kvar之間波動。

圖15 未接入任何裝置時無功功率波形

此處本裝置先將并聯電容器接入系統，接入系統后無功功率波形如圖16，系統無功功率在接入電容器后明顯減小，其在2 kvar至3.25 kvar間波動，電壓有效值有一定的提升。平均功率因數為0.77。雖然系統無功功率有了明顯的降低，但系統諧波電流被一定程度地放大了，系統主要次諧波電流為：五次諧波：1.24 A；七次諧波：1.50 A。

圖16 接入電容器后系統無功功率

在本裝置運行后，系統無功功率進一步地降低，其均值為0.45 kvar，但波形中出現了較多的毛刺。

圖17 裝置運行后系統無功功率

由現場實驗結果可知，在本裝置運行后，系統無功功率得到了較高的補償，補償后功率因數均在0.9以上，滿足項目的要求。但同時也可觀察到在裝置運行后系統無功功率并不是完全的零，且存在較多的毛刺。

4 結論

目前在油田現場經常發(fā)生爆電容現象。從而使無功補償裝置失去作用，低壓配電網功率因數下降，造成了無功損耗增加。因此，針對油田現有無功補償裝置進行故障分析，并研究出相應的對策?；赟OGI-FLL算法的準確鎖相，實時監(jiān)測、計算無功補償容量。該算法為實時算法，保證了無功功率的實時計算，實現對負載電流中主要次諧波的信號提取，以此作為靜止無功發(fā)生器的控制信號進行諧波抑制，以此為電容器的穩(wěn)定運行提供保障。針對抽油機無功功率的波動性，提出采用晶閘管投切電容器的方式補償非波動無功功率的絕大部分，剩余的無功功率由靜止無功發(fā)生器進行補償。此方案不僅可以實現無功功率的動態(tài)補償，同時也有效地降低了裝置成本?？紤]到現場抽油機負載情況的不同，增加并聯電容器的投切能力，針對不同大小的靜態(tài)無功功率可自行調節(jié)。目前裝置僅對系統的主要次諧波電流進行了抑制，因此需進一步提高裝置的諧波抑制能力，從而進一步提高配電網的電能質量。

[1] 韓宇澤. 基于云計算的油田配電網無功優(yōu)化控制系統研究[J]. 電氣工程，2014，43(8):93：106.

[2] 陳惠粉，喬 穎，閔 勇，等. 風電場動靜態(tài)無功補償協調控制策略[J].電網技術，2013，7(1)，248：254.

[3] 王旭冉，郭慶來，孫宏斌，等. 考慮快速動態(tài)無功補償的二級電壓控制[J].電力系統自動化，2015，9(2):53：60.

[4] 曹東朝. 諧波電流對電容器無功補償的影響分析及防范對策[J]. 科學時代，2013，2，189：226.

[5] 劉忠麗，三相鎖相環(huán)設計及光伏并網逆變器控制研究[D]:西南交通大學，2013.

[6] 郭曉瑞，郭吉豐，龍英文. 三相全數字頻率自適應閉環(huán)鎖相技術[J]. 電力自動化設備,2013，2，81:96.

[7] 王照峰，王仕成，蘇德倫. 鎖相環(huán)電路的基本概念及應用研究[J]. 電氣應用,2015,8,119-121.

[8] 李偉鋒,王 哲. 基于雙派克變換的單相數字鎖相環(huán)設計[J]. 中原工學院學報,2015,1,26-30.

[9] 肖 嵐. 三相并網逆變器濾波及鎖相技術研究[D].南京：南京航空航天大學,2012.

DynamicReactivePowerCompensationMeasuresBasedonOilFieldPowerSOGI-FLLAlgorithm

Li Wei1,Yang Yang2

(1.Shengli Oilfield Technical Inspection Center, Dongying 257061,China; 2.ShengLi College,China University of Petroleum, Dongying 257061)

In order to solve the electric capacity of oil field reactive power compensation device, based on the existing problems of reactive power compensation device, a compensation scheme combining thyristor switching capacitor and static var generator is proposed in this paper. And the SOGI-FLL algorithm is applied to the exact calculation of the voltage precision lock-in and reactive power. The outcome are used to determine the capacitor input time of the Matlab simulation model of thyristor switching capacitor and to provide the control reference signal of the static var generator, So as to realize effective control of harmonic and reactive current. The simulation results show that the scheme not only realizes the reactive power compensation effectively, but also reduces the reactive power loss of oil field distribution network and improves the power factor.

SOGI-FLL; reactive power compensation; thyristor switching capacitor; static var generator

2017-03-22；

2017-04-11。

中石化科研項目(135032) 。

李 煒(1981-)，男，內蒙古烏蘭察布市人，碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動方向的研究。

1671-4598(2017)10-0176-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.045

TP33

A